[发明专利]一种碳布/大面积二维石墨相氮化碳纳米片产氢光催化膜的制备方法

说明书

本发明提供了一种碳布/大面积二维石墨相氮化碳纳米片产氢光催化膜的制备方法，解决现有方法中g‑C₃N₄复合薄膜光催化剂制备方法复杂，易出现颗粒聚集情况以及光催化剂较厚的技术问题。包括以下步骤：1)碳布预处理，1.1)将碳布浸泡在浓硝酸中24～48h后，取出干燥；1.2)将步骤1.1)干燥后的碳布置于体积分数为30～60％的乙醇溶液中超声，取出干燥；2)将步骤1)预处理后的碳布平铺在预先放置于坩埚中且上表面位于同一水平面的三聚氰胺粉末上，坩埚加盖后整体置于马弗炉中，以2～5℃/min的升温速率升温至520～580℃下保温2～4h，随后冷却至室温，得到碳布/大面积二维石墨相氮化碳纳米片产氢光催化膜。

技术领域

本发明属于光催化功能材料技术领域，具体涉及一种碳布/大面积二维石墨相氮化碳纳米片产氢光催化膜的制备方法。

背景技术

化石能源的过度使用导致日渐加剧的能源短缺危机，而基于半导体材料的光催化技术为获得新的清洁能源提供了一种可持续发展的策略。近年来兴起的材料石墨相氮化碳(g-C₃N₄)由于其组成元素储量丰富、制备简单、高的物化热稳定性等优势，在光催化领域引起了学者的广泛关注；但催化活性较低限制了其无法进行实际应用，主要是因为该材料比表面积小、对可见光吸收的不足以及高的光生载流子复合率，因此研究者通过各种改性手段以克服以上三大问题，从而提升光催化性能。然而，除了对光催化剂的性能进行提升以外，高性能粉末催化剂材料难于回收是一个值得关注的问题，这涉及到材料的制备使用成本以及二次污染带来的环境问题。现有研究表明将材料沉积在到导电薄膜上不仅有利于实现材料的可回收利用，也可以利用薄膜材料高的电荷传导性能实现光生载流子的有效传输和分离，因此，广泛应用于各领域的导电碳布可作为首选材料用于负载g-C₃N₄并进行太阳能转换相关的应用。

文献1“Shen X,Zhang T,Xu P,et al.Growth of C₃N₄ nanosheets on carbon-fiber cloth as flexible and macroscale filter-membrane-shaped photocatalystfor degrading the flowing wastewater[J].Applied Catalysis B Environmental,2017,219,425-431”公开了一种在碳布上生长g-C₃N₄的方法。将清洁后的碳布浸泡在尿素溶液中形成种子层，随后的煅烧过程能在碳布上生长得到g-C₃N₄纳米片。此复合光催化剂满足了材料的可回收性，增强了对可见光的吸收能力，能够多级降解流动的罗丹明B染料废水。但该制备方法使用尿素作为前驱体煅烧得到的g-C₃N₄在反应溶液中容易从薄膜上脱落，造成质量损失和二次污染。

文献2“Lin Lei,Weijia Wang et al.In situ growth of boron doped g-C₃N₄on carbon fiber cloth as a recycled flexible film-photocatalyst[J].CeramicsInternational,2021,47,1258-1267”公开了一种在碳布上生长硼掺杂的g-C₃N₄的方法。该方法利用三聚氰胺和硼酸作为前驱体和掺杂剂，通过浸渍及热聚合法得到一种柔性的光催化降解薄膜，具有高的机械稳定性和可回收性，在户外太阳光下具有水纯化处理的潜力。但是该制备方法得到的光催化剂在碳布上出现了明显的颗粒聚集，导致缺少催化活性位点，并不利于光催化产氢性能。

由此，可以看出已公开的以碳布作为负载基底用于生长光催化材料的制备方法中，薄膜表面出现了明显的粉末颗粒，容易导致光催化剂从表面脱落，同时催化剂较厚的生长厚度不利于电荷从催化剂表面到导电碳纤维的传输，且复杂的制备过程不利于节省生产成本和实现大规模的实际应用。